(57)【要約】【課題】小型で高効率な低歪みな高周波電力増幅器および増幅方法を提供する。【解決手段】コレクタがバイアス電源Ｖ１に接続されるトランジスタＴｒ１とコレクタがデカップリングコンデンサで接地されるトランジスタＴｒ２とのエミッタの共通接続点から終段増幅器１へバイアス電源Ｖ２を供給する。プリアンプ部６のドレイン電流を電圧変換して検出したエンベロープ信号のレベルがＶｔｈより低い場合、バイアス制御部３は、トランジスタＴｒ１をオフ、トランジスタＴｒ２をオンとしてバイアス電源電圧Ｖ２で低歪み動作させ、Ｖｔｈより高い場合、バイアス制御部３は、トランジスタＴｒ１をオン、トランジスタＴｒ２をオフとし、Ｖ２より高い電圧のバイアス電源Ｖ１を終段電力増幅器１に供給し高効率で動作させる。【選択図】  図１
2010219944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コレクタが第１の電圧の電源に接続される第１のトランジスタと、
エミッタが前記第１のトランジスタのエミッタと共通接続されるとともに、コレクタがデカップリングコンデンサを介して接地される第２のトランジスタと、
前記共通接続されたエミッタに供給される前記第１の電圧よりも低い第２の電圧の電源と、
前記第１のトランジスタのコレクタに供給される前記第１の電圧の電源と、
入力信号をＡＢ級、又はＢ級で増幅した増幅信号を電力増幅器へ出力するとともに、前記増幅する増幅素子のドレイン電流を電圧変換することにより検波してエンベロープ信号を生成して出力するプリアンプと、
前記共通接続されたエミッタから前記第１又は、第２の電圧で電源が供給され、前記増幅信号を入力して電力増幅して出力する前記電力増幅回路と、
前記エンベロープ信号が入力され、前記所定のレベルより低い場合、前記第１のトランジスタをオフ、第２のトランジスタをオンとして前記第２の電圧を前記エミッタに出力し、前記所定のレベルよりも高い場合、前記第１のトランジスタをオン、前記第２のトランジスタをオフとして前記エミッタに供給される電圧を前記第１の電圧に切り替える制御を行う制御手段とを
備えることを特徴とする高周波電力増幅器。
【請求項２】
検波器と、２つのトランジスタと、２つの電源と、制御手段と、プリアンプと、電力増幅回路とを備え、
入力信号を検波したエンベロープ信号が所定のレベルを越える場合は、電力増幅回路の電源に第１の電圧が供給され、所定のレベルより低い場合は、前記第１の電圧よりも低い第２の低い電圧に切り替えられて供給されることにより前記入力信号を増幅して出力する高周波電力増幅器の増幅方法において、
第１のトランジスタは、コレクタが前記第１の電圧の電源供給手段に接続され、
第２のトランジスタは、エミッタが前記第１のトランジスタのエミッタと共通接続されるとともに、コレクタがデカップリングコンデンサを介して接地され、
前記第２の電圧の電源は、前記共通接続されたエミッタに接続され、
前記第１の電圧の電源は、前記第１のトランジスタのコレクタに供給され、
前記電力増幅回路は、電源が前記共通接続されたエミッタから前記第１又は、第２の電圧で供給され、
前記プリアンプは、入力信号をＡＢ級、又はＢ級で増幅した増幅信号を電力増幅器へ出力するとともに、前記増幅する増幅素子のドレイン電流を電圧変換することにより検波してエンベロープ信号を生成して前記制御手段へ出力し、
前記エンベロープ信号を入力する前記制御手段は、前記所定のレベルより低い場合、前記第１のトランジスタをオフ、第２のトランジスタをオンとして前記第２の電圧を前記エミッタに出力し、前記所定のレベルよりも高い場合、前記第１のトランジスタをオン、前記第２のトランジスタをオフとして前記エミッタに供給される電圧を前記第１の電圧に切り替える制御を行う
ことを特徴とする高周波電力増幅器の増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多値変調信号を送信する送信器に用いる小型で高効率な高周波電力増幅器、および電力増幅方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システムでＯＦＤＭ等の多値変調の信号の送信器に用いられる電力増幅器は、消費電力が大きく電力増幅器には高効率であることが求められている。電力増幅器を高効率で動作させるためには、飽和領域近傍で動作させる場合、非線形特性が強くなり電力増幅器の出力信号に大きな歪が発生する。
【０００３】
一方、電力増幅器は、入力信号のピークでも歪まないように飽和領域から十分にバックオフした領域で使用する場合は高効率動作ができない。通常、電力増幅器は電源電圧を一定にして使用される。その場合、入力信号のピークにあわせて電源電圧を設定する必要がある。そのため、入力信号が小さい場合にも電力増幅器の消費電力は大きなままであり、効率が悪くなる。
【０００４】
この問題を解決する高効率化技術の1つとして、エンベロープトラッキング（Envelope Tracking：ＥＴ）方式が知られている。ＥＴ方式では、電力増幅器に入力される信号の大小にあわせて電力増幅器の電源電圧を変化させる。そのため、入力信号が低いときには消費電力が抑えられ効率を向上させることができる。
【０００５】
図３に一般的なＥＴ方式電力増幅器の構成を示す。  
入力された信号を一定の利得で増幅する電力増幅器１０１、電力増幅器の電源電圧を変化させるためのエンベロープアンプ１０３、入力信号を取り出すための方向性結合器１０４および取り出した入力信号から入力信号の包絡線を検波するための検波器１０５を具備している。通常の電力増幅器には具備されていないエンベロープアンプ１０３、方向性結合器１０４や検波器１０５を具備することで回路構成が大きく、高価になる問題がある（例えば、特許文献１。）。
【０００６】
そこで入力レベルが高い時のみバイアス電圧を高く切り替える簡易的な方法がある。
【０００７】
図４は、従来の簡便なエンベロープトラッキングを用いた高効率増幅器の動作を説明する機能ブロック図、図５は、その動作の一例を示す図である。  
図４において、高効率増幅器Ｅは、入力信号を増幅して出力する電力増幅部１０、入力信号を検波してエンベロープ信号を出力する検波器（ｄｅｔ）２０、エンベロープ信号レベルが有る値を超えると導通状態になるスイッチング素子Ｆ１、チョークコイル４０、逆電圧防止ダイオード５０とを備える。
【０００８】
また高効率増幅器Ｅには、入力信号が大きい高出力時に、エンベロープ信号が所定のレベル（Ｖｔｈ）以上になるとスイッチング素子Ｆ１がオンとなって供給される電圧Ｖ１のバイアスと低出力時用の電圧Ｖ２のバイアスの２種類のバイアス電源が電力増幅部１０に供給される。
【０００９】
この電力増幅部１０にＦＥＴを用いる場合、バイアス電圧はドレイン電圧を制御することになる。
【００１０】
その結果、図５に示すように、バイアス電圧がＶ１からＶ２へステップ上に切り替わる不連続となり、それに伴い増幅器の利得、位相特性が不連続となり電力増幅部１０の歪特性が劣化する問題が有った。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−１７９４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来のエンベロープトラッキング法を用いた高効率増幅器は、回路構成が大きく、高価になる問題があり、それを避けるために簡便な、電源電圧を切替る方法では、歪み特性が劣化する問題があった。
【００１３】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、小型で高効率かつ低歪みな高周波電力増幅器、および電力増幅方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の高周波電力増幅器は、コレクタが第１の電圧の電源に接続される第１のトランジスタと、エミッタが前記第１のトランジスタのエミッタと共通接続されるとともに、コレクタがデカップリングコンデンサを介して接地される第２のトランジスタと、前記共通接続されたエミッタに供給される前記第１の電圧よりも低い第２の電圧の電源と、前記第１のトランジスタのコレクタに供給される前記第１の電圧の電源と、入力信号をＡＢ級、又はＢ級で増幅した増幅信号を電力増幅器へ出力するとともに、前記増幅する増幅素子のドレイン電流を電圧変換することにより検波してエンベロープ信号を生成して出力するプリアンプと、前記共通接続されたエミッタから前記第１又は、第２の電圧で電源が供給され、前記増幅信号を入力して電力増幅して出力する前記電力増幅回路と、前記エンベロープ信号が入力され、前記所定のレベルより低い場合、前記第１のトランジスタをオフ、第２のトランジスタをオンとして前記第２の電圧を前記エミッタに出力し、前記所定のレベルよりも高い場合、前記第１のトランジスタをオン、前記第２のトランジスタをオフとして前記エミッタに供給される電圧を前記第１の電圧に切り替える制御を行う制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の高周波電力増幅器の増幅方法は、２つのトランジスタと、２つの電源と、制御手段と、プリアンプと、電力増幅回路とを備え、入力信号を検波したエンベロープ信号が所定のレベルを越える場合は、電力増幅回路の電源に第１の電圧が供給され、所定のレベルより低い場合は、前記第１の電圧よりも低い第２の低い電圧に切り替えられて供給されることにより前記入力信号を増幅して出力する電力増幅器の増幅方法において、第１のトランジスタは、コレクタが前記第１の電圧の電源供給手段に接続され、第２のトランジスタは、エミッタが前記第１のトランジスタのエミッタと共通接続されるとともに、コレクタがデカップリングコンデンサを介して接地され、前記第２の電圧の電源は、前記共通接続されたエミッタに接続され、前記第１の電圧の電源は、前記第１のトランジスタのコレクタに供給され、前記電力増幅回路は、電源が前記共通接続されたエミッタから前記第１又は、第２の電圧で供給され、前記プリアンプは、入力信号をＡＢ級、又はＢ級で増幅した増幅信号を電力増幅器へ出力するとともに、前記増幅する増幅素子のドレイン電流を電圧変換することにより検波してエンベロープ信号を生成して前記制御手段へ出力し、前記エンベロープ信号を入力する前記制御手段は、前記所定のレベルより低い場合、前記第１のトランジスタをオフ、第２のトランジスタをオンとして前記第２の電圧を前記エミッタに出力し、前記所定のレベルよりも高い場合、前記第１のトランジスタをオン、前記第２のトランジスタをオフとして前記エミッタに供給される電圧を前記第１の電圧に切り替える制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、小型で高効率、かつ低歪みな高周波電力増幅器、および電力増幅方法を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例の高周波電力増幅器の動作を説明する機能ブロック図。
【図２】本実施例の高周波電力増幅器の動作の一例を示す図。
【図３】従来のエンベロープトラッキングを用いる高効率増幅器の機能ブロック図。
【図４】従来の簡便なエンベロープトラッキングを用いた高周波電力増幅器の動作を説明する機能ブロック図。
【図５】従来の簡便な高周波電力増幅器の動作の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例】
【００１９】
図１は本発明の実施例の高周波電力増幅器Ａの動作を説明する機能ブロック図、図２は本実施例の高周波電力増幅器Ａの動作の一例を示す図である。
【００２０】
図１において、高周波電力増幅器は、ベースバンド信号を変調した高周波（ＲＦ）信号である入力信号を増幅して終段電力増幅器１へ出力するプリアンプ６、プリアンプのドレイン電流を電圧に変換する変換素子２、バイアス制御部（ｃｏｎｔ）３、エミッタが共通接続された２つのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、チョークコイル４、ダイオード５と、デカップリングコンデンサであるキャパシタＣとを備える。
【００２１】
また高周波電力増幅器Ａには、高出力時に供給される電圧Ｖ１のバイアスと低出力時用の電圧Ｖ２のバイアスの２種類のバイアス電源が供給される。
【００２２】
入力端子ｉから入力されたＲＦ信号は、プリアンプ２で増幅される。プリアンプ２は、高効率で増幅するようＡＢ級、もしくはＢ級で動作する。そして、ＡＢ級、Ｂ級で動作する電力増幅器のドレイン電流は、電力増幅器に入力される信号の包絡線（エンベロープ）に対応して変動する。このドレイン電流の変動を検波、即ち、電流−電圧変換することで入力信号のエンベロープ信号を得ることができる。このエンベロープ信号を最終段電力増幅器のドレイン電圧制御回路の制御信号とすることでＥＴ方式電力増幅器を実現する。
【００２３】
つまり、プリアンプ２のドレイン電流は、電源からドレインへ供給される回路に挿入される抵抗素子の変換素子２を通り、ドレイン電流をｉ（Ａ）、抵抗値をｒ（Ω）としてｉ・ｒの積から電圧値ｖ（Ｖ）に変換して入力信号のエンベロープ信号の電圧を出力する。入力信号が高い程エンベロープ信号レベルも高くなるが、本実施例では、エンベロープ電圧に基準値を設け、それより高いか低いかで終段増幅器の電源電圧を切り替える簡便な方法を採っている。
【００２４】
このドレイン電流を利用するエンベロープ信号生成方法は、方向性結合器や独立した検波器を用いず、プリアンプを利用して生成されるので、増幅器を小型化するのに有効である。また、抵抗素子を用いるため、入力信号の周波数特性に左右されることなく、包絡線が入力信号振幅に応じて生成できる効果がある。そこで、前述の簡易なＥＴ方法を用いる高周波電力増幅器の小型化を一層生かすためにこのエンベロープ信号生成方法を適用する。
【００２５】
変換素子２で生成されたエンベロープ信号は、ｃｏｎｔ３へ入力され、エンベロープ信号のレベルが規定値（Ｖｔｈ）以下の時は、ｃｏｎｔ３により、Ｔｒ１がオフ、Ｔｒ２がオンとなる。
【００２６】
ｃｏｎｔ３は、各Ｔｒをスイッチングするための図示しない制御電原が加えられ、そこで生成されたスイッチング制御の電圧が、Ｔｒ１、Ｔｒ２のベース電圧を制御する。即ち、エンベロープ信号レベルがＶｔｈ以下で有れば、Ｔｒ１がオフ、Ｔｒ２がオンとなり、Ｖｔｈ以上で有れば、Ｔｒ１がオン、Ｔｒ２がオフとなる様に各ベース電圧を制御する。回路構成としては、エンベロープ信号の大小を比較するコンパレータと、それに応じて上述の電圧を出力する能動素子回路、または、ＤＳＰ回路等で構成すればよい。
【００２７】
Ｔｒ１がオフ、Ｔｒ２がオンとなると、電圧Ｖ２のバイアス電源が、チョークコイル４、ダイオード５を介して終段電力増幅器１に印加される。この時、Ｔｒ２のコレクタ側にはキャパシタＣが接続されているので、終段増幅器１の出力端子からバイアス回路側を見たベースバンド信号の周波数におけるインピーダンスは低インピーダンスとなる。
【００２８】
終段増幅器１は高効率化のため、入力電圧が変化してもバイアス電流が一定であるＡ級動作ではなく、バイアス電流が変化するＡＢ級、Ｂ級で動作する。この時、バイアス系のベースバンド信号の周波数におけるインピーダンスが高いと、終段増幅器１のバイアス電流の変動に伴い、バイアス電圧も変化して、増幅器にドレイン変調がかかる。
【００２９】
その結果、増幅器の歪特性が劣化し、特にＤＰＤ（デジタルプリディストーション回路）を用いた増幅回路では、メモリエフェクトと呼ばれる歪劣化特性を引き起こす。これを更に補正するためＤＰＤが大規模になるという問題があった。本実施例の高周波電力増幅器Ａは、終段電力増幅器１のバイアス系のインピーダンスを低くしているので、メモリエフェクトによる劣化を抑えることができる。
【００３０】
また、エンベロープ信号のレベルが規定値Ｖｔｈ以上の時は、ｃｏｎｔ３がＴｒ１をオン、Ｔｒ２をオフとする。そしてＴｒ１はエミッタフォロワとして動作するので、図２に示すように、終段電力増幅器１のコレクタ（バイアス）電圧はｄｅｔ２が出力するエンベロープ信号へ追従して高効率で動作するようになる。
【００３１】
Ｔｒ１のコレクタ電圧Ｖ１は、Ｖ１＞Ｖ２となるようにしているので、従来の簡易な増幅器と異なり、終段電力増幅器１のコレクタ（バイアス）電圧が不連続に変化することなく、入力レベルの検波電圧に対応して変化するので、終段電力増幅器１の歪特性を改善することができる。
【００３２】
なお、上記のＴｒ１、Ｔｒ２はバイポーラトランジスタでもよいし、ＦＥＴでもよい。また片側がバイポーラトランジスタ、もう片側がＦＥＴの組合せの構成でもよい。
【００３３】
なお、バイポーラトランジスタの場合は、コレクタ電圧が制御され、ＦＥＴの場合で有れば、ドレイン電圧が制御されるが、ここでは、これら制御される電圧を何れもバイアス電圧と総称する。また、バイポーラトランジスタとＦＥＴの場合、コレクタをドレイン、エミッタをソース、ベースをゲートとそれぞれ読み替えればよい。
【００３４】
以上、本発明の実施例の高周波電力増幅器は、独立した検波器に代わって高周波電力増幅器のプリアンプ６のドレイン電流から生成したエンベロープ信号のレベルが規定値Ｖｔｈ以下の場合は、固定電圧を与えるとともに、エンベロープ信号成分が変動しても、終段電力増幅器１のバイアス電圧を一定にし、ベースバンド周波数において低インピーダンスとなるデカップリングコンデンサのキャパシタＣが接続される。
【００３５】
終段電力増幅器１の入力信号のレベルが規定値Ｖｔｈ以上の場合は、デカップリングコンデンサＣの接続が断たれるので、入力信号に対応して終段電力増幅器１のバイアス電圧が制御されることになり高速応答が可能である。以上、説明した如く本発明の実施例の高周波電力増幅器は、小型で高効率の高周波電力増幅器を提供することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  終段電力増幅器
２  変換素子
３  バイアス制御部（ｃｏｎｔ）
Ｔｒ１、Ｔｒ２  トランジスタ
４  チョークコイル
５  ダイオード
６  プリアンプ
Ｃ  キャパシタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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